微机原理与接口技术

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出版者:冶金工业出版社
作者:刘怀亮、苏瑞娟
出品人:
页数:229
译者:
出版时间:2006-8
价格:23.00元
装帧:简裝本
isbn号码:9787502439163
丛书系列:
图书标签:
  • 微机原理
  • 计算机组成原理
  • 接口技术
  • 汇编语言
  • 8086
  • 微处理器
  • 数字电路
  • 计算机硬件
  • 嵌入式系统
  • 单片机
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具体描述

现代嵌入式系统设计与实践 图书简介 本书聚焦于现代嵌入式系统领域的前沿理论与实用技术,旨在为读者构建一个从底层硬件交互到上层应用开发的完整知识体系。不同于传统的微机原理和接口技术侧重于对单一处理器的汇编级编程和基础I/O操作,本书将视角提升到复杂的、多核异构的嵌入式系统集成层面,强调系统级思维、实时性、功耗优化与可靠性设计。 全书内容围绕当代嵌入式系统设计中的核心挑战与解决方案展开,深入探讨了处理器架构的演进、操作系统选型、硬件描述语言的应用以及系统级验证方法。 --- 第一部分:下一代嵌入式处理器架构与编程模型 本部分详细剖析了当前主导嵌入式市场的高性能处理器架构,着重于传统冯·诺依曼结构的局限性与现代指令集在提高并行度和能效方面的创新。 第一章:异构计算核心与指令集扩展 本章不再拘泥于单一8/16位处理器的架构细节,而是深入探讨ARM Cortex-A/R/M系列、RISC-V架构的最新发展。重点分析了SIMD(如NEON)、向量处理单元(VPU)的设计原理及其在多媒体和信号处理中的应用。讨论了指令集扩展(ISA Extensions)如何改变软件的优化方向,以及如何利用这些扩展实现超越传统循环优化的性能飞跃。 第二章:内存层级、缓存一致性与内存模型 现代嵌入式系统的性能瓶颈往往在于数据访问延迟。本章全面梳理了多级缓存(L1/L2/L3)的工作机制、缓存一致性协议(如MESI协议)在多核环境下的重要性,以及如何通过软件手段(如内存屏障、数据布局优化)来管理缓存。此外,深入探讨了非一致性内存访问(NUMA)对系统级性能的影响,并介绍了虚拟内存管理单元(MMU)在隔离和资源保护中的作用。 第三章:功耗敏感型设计与电源管理 在物联网(IoT)和移动设备中,电池寿命是关键指标。本章讲解了动态电压与频率调节(DVFS)、时钟门控、电源门控等硬件技术。更重要的是,本章结合软件层面,介绍了如何通过能耗建模、任务调度优先级与空闲态管理(Tickless Idle)来最小化系统的静态和动态功耗。 --- 第二部分:实时操作系统(RTOS)与任务调度理论 本部分是嵌入式系统软件架构的核心,专注于保证系统响应时间和确定性。 第四章:实时操作系统的核心机制与选型 详细比较了主流RTOS(如FreeRTOS, Zephyr, QNX)的设计哲学和内核结构。重点讲解了内核对象(任务、信号量、消息队列、事件标志)的实现细节,以及中断服务程序(ISR)与任务上下文切换的开销分析。本章强调了确定性响应时间的重要性,而非单纯的吞吐量。 第五章:高级调度算法与时间片管理 超越简单的固定优先级抢占式调度,本章深入研究了截止时间(Deadline Monotonic Scheduling, DMS)与速率单调调度(Rate Monotonic Scheduling, RMS)等静态优先级分配算法,并探讨了在多核系统中的调度挑战(如资源竞争和死锁预防)。介绍了时间分区(Time Partitioning)技术在确保关键任务执行时间上的应用。 第六章:中断处理与延迟分析 系统响应速度的瓶颈往往在于中断处理。本章深入探讨了中断控制器(GIC)的配置,中断延迟的来源分析(包括中断屏蔽时间、上下文保存时间)。引入了“软中断”和“下半部”(Bottom Halves)的概念,指导读者如何将复杂处理推迟到非中断上下文,以保证快速的硬件响应。 --- 第三部分:系统级接口与通信协议栈 本部分关注嵌入式系统如何与外部世界以及系统内部组件高效、可靠地交互。 第七章:高速总线结构与片上通信 取代传统的并行I/O和慢速串行接口,本章重点讲解了现代高速片上总线架构,如AXI (Advanced eXtensible Interface) 或类似的 NoC (Network-on-Chip) 概念。讨论了DMA(直接内存访问)控制器的工作原理及其在减轻CPU负载方面的作用,特别是在数据密集型应用中的配置与性能调优。 第八章:嵌入式网络协议栈的深度优化 本书详细解析了TCP/IP协议栈在资源受限设备上的裁剪与优化。重点讲解了轻量级网络协议(如LwIP)的内存池管理、协议头压缩技术,以及如何针对特定应用场景(如工业控制中的EtherCAT或时间敏感网络TSN)定制网络驱动。 第九章:硬件加速器接口与驱动开发 现代嵌入式系统高度依赖硬件加速器(如GPU、DSP、FPGA)。本章讲解了如何使用OpenCL、OpenMP或Vendor-Specific APIs(如CUDA Embedded)来管理异构计算资源。深入探讨了用户空间(User Space)与内核空间(Kernel Space)之间,通过MMap或共享内存机制进行高效数据传输的驱动开发实践。 --- 第四部分:系统集成、验证与安全基石 本部分强调了从原型到量产过程中不可或缺的质量保障和安全防护技术。 第十章:嵌入式系统的启动过程与固件更新 系统启动是系统可靠性的第一道防线。本章详细描绘了从ROM Code到Bootloader(如U-Boot)再到操作系统内核的完整加载流程。重点讲解了安全启动(Secure Boot)的流程,包括公钥基础设施(PKI)在固件签名验证中的应用,以及可靠的OTA(Over-The-Air)固件更新机制设计(如A/B分区策略)。 第十一章:系统级调试与性能分析工具链 有效的调试依赖于专业工具。本章介绍JTAG/SWD接口的高级应用,如断点设置、硬件观察点、追踪缓冲区的利用。着重讲解了基于ETM(Embedded Trace Macrocell)和Instruction Tracing的非侵入式性能分析方法,以及如何利用这些数据来发现实时系统中的竞争条件和隐藏的性能瓶颈。 第十二章:嵌入式安全:威胁模型与防御策略 安全不再是附加项,而是系统设计的前提。本章建立嵌入式设备的典型威胁模型(侧重于物理攻击和固件篡改)。深入讨论了可信执行环境(TEE,如TrustZone)的原理,硬件安全模块(HSM)在密钥存储中的作用,以及软件层面的输入验证和侧信道攻击的初步防御思路。 --- 总结: 《现代嵌入式系统设计与实践》旨在引导读者超越对单个微控制器的机械式操作,进入到面向复杂、高可靠性、强性能需求的现代系统级工程设计领域。本书的深度和广度将使读者能够胜任从自动驾驶控制单元到高性能工业控制器的各类前沿嵌入式项目的开发与维护工作。

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读后感

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用户评价

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这本书的内容非常扎实,而且结构安排得非常合理,就像一座精心设计的知识迷宫,引导读者一步步深入探索。开头部分对微处理器的工作原理进行了详尽的介绍,从基础的逻辑门电路开始,逐步构建起CPU的复杂结构。我尤其对书中关于指令流水线和缓存机制的讲解印象深刻。作者用生动的比喻和清晰的图表,将这些抽象的概念具象化,让我能够直观地理解CPU是如何通过并行处理和数据预读来提升效率的。书中对各种接口的介绍也做得非常到位,不仅仅停留在概念层面,而是深入到具体的硬件实现和编程控制。例如,在讲解并行接口时,作者详细分析了端口地址、数据线、控制线的功能,并提供了相应的汇编和C语言程序示例,让我能够亲手操作硬件,体验数据传输的过程。对中断系统的阐述也十分精彩,让我理解了不同优先级中断的处理流程,以及如何通过中断向量表来快速定位中断服务程序。这种理论与实践相结合的讲解方式,极大地增强了我对知识的掌握程度。这本书给我最大的感受是,它让我看到了计算机硬件的“生命力”,理解了指令是如何转化为实际的动作,数据是如何在各个部件之间流动的。

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这本书真是打开了我对计算机底层世界的大门,太惊艳了!以前只知道运行程序,点点鼠标,完全没有概念这些操作是怎么在硬件层面实现的。读完之后,我才明白,原来CPU、内存、各种接口都不是什么神秘不可触碰的东西,它们遵循着一套严谨的逻辑和通信协议。特别是关于CPU的工作原理,从指令的取指、译码、执行到写回,每一个环节都详细地讲解了,而且还穿插了很多经典的例子,比如如何通过汇编指令模拟一个简单的加法运算,这让我感觉自己好像真的在和CPU对话一样。内存的组织方式,比如分段、分页,以及它们如何与CPU协同工作,也得到了深入的剖析。接口技术的部分更是让我大开眼界,I/O端口、中断、DMA这些看似高深的概念,在作者的笔下变得清晰易懂。通过对具体接口电路(比如并行接口、串行接口)的讲解,我不仅了解了它们的硬件结构,还学习了如何通过编程来控制它们,实现数据的输入输出。尤其是中断机制,让我深刻理解了计算机如何处理外部事件,响应速度如此之快的原因。总的来说,这本书就像一个百科全书,又像一个经验丰富的老师,循序渐进地引导我认识了计算机的“灵魂”和“神经系统”,让我对计算机硬件有了前所未有的敬畏感和好奇心。

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我之前总觉得,计算机的运行就像是魔法,指令一发出,程序就跑起来了,但究竟是怎么回事,我却一无所知。这本书就像一道光,照亮了我心中对计算机底层的好奇。作者在讲解微处理器的内部构造时,用了非常形象的比喻,将CPU比作一个精密的工厂,而指令则是生产任务。我尤其对书中关于CPU内部数据通路和控制信号流的讲解印象深刻,它让我明白了CPU是如何在时钟的节拍下,协调各个功能单元完成指令的。书中对各种存储器的组织和访问方式的分析,也让我理解了为什么计算机需要不同速度和容量的存储器。在接口技术方面,这本书的讲解同样精彩。它详细介绍了各种I/O接口的硬件构成和工作原理,以及如何通过编写程序来控制这些接口,实现与外部设备的交互。例如,书中对并行接口的讲解,让我明白了一个简单的数据传输过程,需要多少根信号线,以及它们各自承担的职责。这本书让我看到了计算机硬件的“生命”,它不再是一个冰冷的机器,而是充满了逻辑和活力的系统。

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在我看来,这本书的价值远不止于理论知识的传授,更在于它培养了一种深入理解计算机本质的能力。作者在讲解微处理器的核心工作原理时,逻辑清晰,循序渐进,从最基础的二进制运算到复杂的指令流水线,都进行了细致的剖析。我印象最深刻的是关于CPU的控制单元和算术逻辑单元的讲解,通过图文并茂的方式,让我对CPU内部的信号流动和逻辑运算有了非常直观的认识。书中还提供了大量的汇编语言示例,让我能够亲身体验编写低级程序的乐趣,并且理解了代码是如何被翻译成机器指令,然后在CPU上执行的。在接口技术方面,本书也做得非常出色。从基础的I/O端口到复杂的总线系统,再到各种中断和DMA控制器,都进行了详细的介绍。我通过学习这本书,不仅了解了各种接口的工作原理,还学会了如何通过编程来控制它们,实现与外部设备的交互。例如,书中关于显示器和键盘接口的讲解,让我明白了这些常用的设备是如何与计算机进行通信的,这为我后续学习图形编程和人机交互打下了基础。

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这本书给我最大的启发在于,它让我真正理解了“软硬结合”的深层含义。我之前学习过一些高级编程语言,但总觉得对计算机的运行机制缺乏直观的认识。这本书从微机原理出发,详细讲解了CPU的架构、指令集、存储器组织等底层知识,这就像是为我构建了一个计算机硬件的骨架。然后,在接口技术的部分,我又学习了如何通过编程来驱动和控制这些硬件。我尤其对书中关于中断和DMA的讲解印象深刻。中断让我明白了计算机是如何实时响应外部事件的,而DMA则让我看到了如何通过硬件加速来提升数据传输的效率,这对于理解一些高性能计算和嵌入式系统至关重要。书中还涉及了大量的汇编语言编程,这让我能够更直接地感受到指令与硬件之间的联系。通过编写和调试汇编程序,我能够更深刻地理解CPU是如何一步一步地执行指令的,数据又是如何进行传递和处理的。这本书的讲解方式非常系统和深入,它让我不再满足于“知其然”,而是渴望“知其所以然”,对计算机的理解上升到了一个新的高度。

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自从我拿到这本书,就沉迷其中,完全停不下来。它的内容非常全面,涵盖了从最基础的计算机组成原理到一些比较深入的接口技术。我最喜欢的部分是关于存储器层次结构的讲解,它清楚地说明了寄存器、缓存、主存和外存之间是如何协同工作的,以及为什么这种层次结构能够有效地提高计算机的整体性能。作者用了很多实际的例子,比如一个典型的程序在执行过程中,数据和指令是如何在这些存储器之间频繁地进行读写的,这让我对“缓存命中率”等概念有了更直观的理解。在接口技术方面,本书也做了深入的探讨。我之前对各种接口的了解非常有限,看完这本书,我才意识到原来像键盘、鼠标、打印机这些看似简单的设备,背后都有一套复杂的接口协议和控制机制。特别是关于总线技术的讲解,让我明白了各种设备是如何通过总线进行通信的,以及总线仲 যুক্তি和数据传输的原理。书中还介绍了DMA(直接内存访问)技术,这让我理解了为什么一些高速设备能够绕过CPU直接进行数据传输,从而大大提高了I/O效率。总而言之,这本书是一本非常好的学习计算机硬件的入门和进阶读物,它既有理论深度,又有实践指导意义。

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这本书绝对是我学习计算机领域的一大收获。它在讲解微处理器原理时,深入浅出,将抽象的计算机指令和逻辑运算过程,通过清晰的图示和严谨的语言,变得易于理解。我尤其喜欢书中关于CPU的指令周期分解,以及对指令译码、执行、写回等各个阶段的详细描述,这让我能够理解程序是如何被“一步步”地执行的。书中还提供了大量汇编语言的实践案例,让我能够亲手去编写和调试代码,从而更深刻地体会到底层编程的魅力。在接口技术方面,这本书的讲解也十分到位。它详细介绍了各种I/O接口的硬件结构、工作原理和编程方法,从简单的端口操作到复杂的中断和DMA机制,都涵盖了。我通过学习书中关于串行通信接口(如RS-232)的讲解,不仅了解了其通信协议,还学会了如何通过编程来发送和接收数据,这让我对嵌入式通信有了初步的认识。这本书让我对计算机硬件有了一个全新的认识,不再是遥不可及的概念,而是可以理解、可以控制的工具。

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我一直对硬件的细节充满好奇,但市面上很多书籍要么过于晦涩难懂,要么过于浅显,难以找到真正适合深入学习的。这本书恰好填补了我的这个需求。作者在讲解微处理器架构时,并没有直接跳到复杂的概念,而是从基础的二进制、十六进制讲起,然后逐步介绍CPU的组成部分,比如运算器、控制器、寄存器,以及它们之间的协同工作方式。我特别喜欢书中关于指令集架构的讲解,通过分析不同指令的格式和功能,我能理解程序是如何被翻译成机器能够执行的命令的。书中还涉及了汇编语言编程,虽然我之前对汇编有些畏惧,但书中提供了大量的代码示例和详细的解释,让我一步步地掌握了如何编写简单的汇编程序,并且理解了这些程序是如何在CPU上运行的。接口技术的部分同样精彩,从早期的并行接口到后来的串行接口,再到更复杂的总线技术,作者都给出了清晰的图示和详细的说明。尤其是关于中断和DMA的讲解,让我明白了计算机如何高效地处理大量数据和外部请求,而不会被某个单一任务完全占用。这本书的优点在于,它不仅教授了知识,更培养了我一种“追根溯源”的学习方法,让我对计算机底层有了更深刻的认识,也为我后续深入学习操作系统、嵌入网卡驱动等相关知识打下了坚实的基础。

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这本书就像一本陈年的佳酿,越品越有味。它所讲解的内容,虽然是关于计算机底层的原理和技术,但作者的叙述却充满了智慧和洞察力。我尤其对书中关于CPU与存储器之间交互的讲解非常着迷。作者不仅详细解释了CPU的寄存器、缓存、主存等概念,还深入分析了它们之间的数据传递机制和性能优化策略,这让我对“内存访问延迟”和“缓存一致性”等问题有了更深刻的理解。书中关于各种接口的介绍也同样精彩。从早期的并行接口到后来的串行接口,再到更复杂的总线技术,作者都给出了详细的硬件框图和时序图,让我能够清晰地看到数据在各个部件之间是如何流动的。而且,书中还穿插了很多实际的应用场景,比如如何通过编程来控制打印机输出,如何通过中断来处理键盘输入,这让我感觉所学的知识非常有实用价值。这本书让我明白了,计算机并不是一个简单的“黑盒子”,而是由一系列精密设计的硬件部件协同工作的复杂系统。

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我一直觉得,想要真正理解一台计算机,就必须深入到它的底层,了解它是如何工作的。这本书恰好满足了我这个愿望。作者在讲解微处理器的内部结构时,循序渐进,从数据通路、控制单元到各种寄存器,都做了非常细致的分析。我特别喜欢书中关于时序和总线信号的讲解,这让我明白了CPU是如何在时钟信号的驱动下,有序地完成指令周期的。书中还提供了大量的汇编代码示例,并且对每一条指令的执行过程都进行了详细的注释,这对我理解程序的执行流程非常有帮助。在接口技术方面,本书也下了很大的功夫。从最基础的I/O端口映射到更复杂的各种中断控制器,以及各种串行和并行通信接口,都进行了详细的介绍。我通过学习这本书,不仅了解了这些接口的工作原理,还学会了如何通过编程来控制它们,实现数据的输入输出。例如,书中关于键盘和鼠标接口的讲解,让我明白了这些输入设备是如何将用户的操作转化为计算机能够识别的电信号的。这本书就像一个宝藏,每一次阅读都能发现新的知识和启发。

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